均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。     

均匀磁场下碳离子束剂量平均LET及纳剂量学量的分布

随着磁共振成像(MRI)技术的发展,图像引导放射治疗在放射肿瘤学中的作用和重要性正在迅速增加,本研究分析了外加均匀磁场对碳离子束的剂量平均LET以及纳剂量学量的影响。通过基于GEANT4内核的GATE蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)模拟平台,模拟计算了不同磁场环境下,不同能量碳离子束剂量平均LET和纳剂量学量的分布。结果发现,平行磁场对碳离子束的剂量平均LET和纳剂量学量均无显著影响,垂直磁场对碳离子束的剂量平均LET及纳剂量学量的影响主要集中在布拉格峰区域,其影响主要是碳离子束在磁场中受到洛伦兹力作用而发生横向偏转,进而使得碳离子束布拉格峰位置发生横向侧移导致的。这些结果为进一步研究磁场对碳离子束治疗性能的影响打下了坚实的基础。     

重离子在碳化硅中的输运过程及能量损失

利用蒙特卡罗方法,模拟计算了不同线性能量传输(liner energy transfer, LET)的重离子在碳化硅中的能量损失,模拟结果表明:重离子在碳化硅中单位深度的能量损失受离子能量和入射深度共同影响;能量损失主要由初级重离子和次级电子产生,非电离能量损失只占总能量损失的1%左右;随着LET的增大,次级电子的初始角度和能量分布越来越集中;重离子诱导产生的电荷沉积峰值位置在重离子径迹中心,在垂直于入射深度方向上呈高斯线性减小分布.利用锎源进行碳化硅MOSFET单粒子烧毁试验,结合TCAD模拟得到不同漏极电压下器件内部电场分布,在考虑电场作用的蒙特卡罗模拟中发现:碳化硅MOSFET外延层的电场强度越大,重离子受电场作用在外延层运动的路径越长、沉积能量越多,次级电子越容易偏向电场方向运动导致局部能量沉积过高.     

400 MeV/u碳离子打靶的屏蔽参数计算

为了给医用重离子加速器提供一种专用的快速计算屏蔽厚度或对蒙特卡罗模拟结果进行验证的方法.采用FLUKA程序完成了400 MeV/u碳离子打不同靶的屏蔽参数计算.首先研究了打厚靶(铁、水)产生的次级辐射场的角度分布及主要成分;接着给出了不同角度范围下周围剂量当量在屏蔽体中的衰减曲线,通过拟合数据进一步得到不同角度范围下的...     

模拟计算低能重离子注入彩棉种子的深度(已撤稿)

采用蒙特卡罗方法,模拟计算了20 keV Ti+注入彩棉种子的深度一浓度分布.核碰撞能量损失采用经典的两体碰撞理论,电子能量损失用Lindlaard-Scharff公式,计算得到Ti+在彩棉种子中的最可几深度是6.66μm,与实验结果非常接近.表明理论模型建立相对合理,为研究低能重离子与生物体之间的相互提供了理论基础.     

模拟计算低能重离子注入彩棉种子的深度

采用蒙特卡罗方法,模拟计算了20keVTi+注入彩棉种子的深度-浓度分布。核碰撞能量损失采用经典的两体碰撞理论,电子能量损失用Lindhard-Scharff公式,计算得到Ti+在彩棉种子中的最可几深度是6.66μm,与实验结果非常接近。表明理论模型建立相对合理,为研究低能重离子与生物体之间的相互提供了理论基础。     

基于TPS和蒙特卡罗计算的12C肿瘤放射治疗In-beam PET剂量监测研究

In-beam PET成像是碳离子放射治疗剂量监测的有效手段,可以对碳离子放疗过程的物理剂量分布和生物剂量分布进行实时监测。结合放射治疗计划系统(TPS)和蒙特卡罗(MC)模拟分别对静态均匀水模体和腹部肿瘤CT图像进行治疗计划设计、MC计算和PET成像,比较TPS肿瘤靶区剂量分布、MC模拟剂量分布和PET成像三者之间的一致性。TPS和MC模拟中相对生物学效应(RBE)的计算均采用线性二次模型(LQ)。研究结果显示,TPS和MC计算的静态均匀水模体、单野治疗腹部肿瘤的物理剂量、RBE加权剂量在SOBP区域的平均误差均在0.5%和2%以内。碳离子束流能量为120~400 MeV/u时,束流方向剂量深度分布与PET成像在SOBP区域的位置差异均在8 mm以内。In-beam PET可作为碳离子放射治疗中位置验证和剂量验证的有效手段。     

HIRFL浅层肿瘤重离子治疗终端束流配送系统性能的实验验证

详细介绍了兰州重离子研究装置(HIRFL)浅层肿瘤重离子治疗终端的被动式束流配送系统, 对该束流配送系统重要组成部件及其整体的性能进行了实验验证. Bragg峰展宽装置脊形过滤器及能量调节装置射程移位器测试结果显示该设备的性能指标达到设计要求. 为验证该被动式束流配送系统的整体性能, 进行了束流成形实验, 模拟对肿瘤靶区的三维适形照射. 结果表明: 利用该束流配送系统可实施对肿瘤的三维适形放射治疗. HIRFL浅层肿瘤治疗装置束流配送系统性能的验证为下一步开展肿瘤重离子束治疗临床试验奠定了基础.     

电子束与烟气相互作用机制模拟分析

 电子束在烟气中穿透深度和剂量分布将直接影响废气中硫、氮氧化物的脱除效率。通过理论计算和蒙特卡罗模拟计算得到不同能量电子穿过各种厚度加速器箔窗后能量损失情况；对不同入射能量电子束在烟气中透射深度和轨迹分布进行了模拟计算。结果表明：电子束反应最佳能量为700 keV；利用产生1 m长线状束流的电子加速器进行双面照射，烟道反应室横截面最佳尺寸为1.0 m×3.5 m。     

中能重离子束深度剂量分布计算

提出了称之为复合歧离算法的中能重离子束深度剂量分布计算方法,并计算了中能C,O离子束的Bragg相对剂量分布曲线,同实验测量结果进行了比较,计算与实验测量符合得很好.证实了复合歧离算法的合理性及由它计算Bragg曲线的可靠性.补充和完善了离子束的深度剂量分布计算原理与方法.     

重离子束在医学治疗中的应用

重离子束治癌是重离子束在医疗领域中的一项典型的应用技术,文章从重离子束在物理学与生物学上的特点,描述了它对肿瘤治疗具有优越性,物理剂量深度分布在射程末端有一个能量沉积集中区,其深度和大小均可调节;在靶区的相对生物效率（RBE）高、氧增比（OER）低;射程歧离与横向散射小;利用正电子发射断层照相（PET）技术术可以实时在线监测;可以三维扫描进行适用形治疗,半致死损伤修复小;辐射敏感性不依赖细胞周期相,文章还介绍了这项技术的国内外进展,并对其未来进行了展望。     

栅扫描重离子束治癌束流配送系统对运动靶区的适形放疗(Ⅱ)可行性实验

在栅扫描束流配送系统下, 进行了重离子束对运动靶体进行适形照射的可行性实验研究. 利用实时修正束流扫描参数的方法, 使得束流追踪靶体在横向上的运动; 在纵向上利用一个机械驱动的束流降能装置(称深度扫描器)迅速调节束流 能量, 使得重离子束高剂量的Bragg峰区落在运动靶体需治疗的断层之上. 实验结果表明: 栅扫描器主动补偿靶体横向运动及深度扫描器补偿靶体纵向运动是可行的.     

Gafchromic® EBT films for ion dosimetry

For dose delivery to patients, scanning ion beams are going to be increasingly used in the upcoming ion beam therapy facilities. Especially carbon ion beams are able to produce steep dose gradients. However, the currently used method for patient dose verification, employing ionization chamber arrays, provides a spatial resolution of 1 cm only. As continuous media, EBT films, widely used in photon therapy, are interesting candidates to be used for this purpose. The EBT film is the ancestor of the currently available EBT2 film. In our contribution two dimensional dosimetry and film response quenching in ion beams were investigated. For a real ¹²C patient plan a good qualitative agreement with the planned dose distribution including a high signal-to-noise ratio and a good resolution in the measured photon-equivalent dose was found. The depth-dose response of EBT films for a ¹²C ion beam shows response quenching, which rises towards the Bragg peak. It was quantified by the relative efficiency determined at different depths. Furthermore, the relative efficiency was measured in monoenergetic proton and carbon ion beams. All the measured efficiencies show no significant dependency on the dose up to the highest measured doses of 6 Gy. However, differences between proton and carbon ions as well as between carbon ion beams of different energies were observed. The measurements reveal, that the use of EBT films for absolute dose verification measurements requires to take the relative efficiency into account, dependent on the ion type and energy.     

Lunar soil as shielding against space radiation

We have measured the radiation transport and dose reduction properties of lunar soil with respect to selected heavy ion beams with charges and energies comparable to some components of the galactic cosmic radiation (GCR), using soil samples returned by the Apollo missions and several types of synthetic soil glasses and lunar soil simulants. The suitability for shielding studies of synthetic soil and soil simulants as surrogates for lunar soil was established, and the energy deposition as a function of depth for a particular heavy ion beam passing through a new type of lunar highland simulant was measured. A fragmentation and energy loss model was used to extend the results over a range of heavy ion charges and energies, including protons at solar particle event (SPE) energies. The measurements and model calculations indicate that a modest amount of lunar soil affords substantial protection against primary GCR nuclei and SPE, with only modest residual dose from surviving charged fragments of the heavy beams.     

发散型准直器限束孔应用于被动散射质子放疗可行性研究

被动散射质子放疗（Passive Scattering Proton Therapy,PSPT）是质子治疗的主要技术之一,束流通过准直器限束孔（Aperture）时因边缘散射效应导致患者体内剂量分布偏离理想状态。使用蒙特卡洛软件TOPAS（TOol for PArticle Simulation）对质子束流经过发散型与传统型准直器限束孔后进入水模体中的过程建模,分析两种准直器的边缘散射效应对剂量及中子能谱分布的影响,分别测试70,110,160,200,230,250 MeV能量下的质子束流,发现传统Aperture在70 MeV的质子束下边缘散射效应最明显,在距水箱表面0.5 cm深度处横向剂量曲线平坦度、均匀度分别达到4.63%,108.05%,随着深度增加边缘散射效应逐渐减弱,在布拉格峰位置处接近消失。使用发散型准直器限束孔后,在70 MeV下平坦度、均匀度分别降至1.28%,101.31%,对于100,160,200 MeV质子束均有不同程度改善。对于能量接近250 MeV的质子束,发散型准直器限束孔设置下横向剂量曲线并无优势。边缘散射效应导致的剂量不均随水深增加而减弱,对于各个能量质子,使用发散型准直器限束孔后次级中子减少。研究结果表明,发散型准直器限束孔应用于PSPT效果显著,为进一步应用于临床提供数据支撑。Passive Scattering Proton Therapy (PSPT) is one of the main technologies for proton radiation therapy. The dose distribution in the patient deviates from the ideal state due to the edge scattering effect when the beam passes through the aperture. In this paper, TOPAS, a Monte Carlo software, was used to simulate the passive scattering treatment head. The influence of the edge scattering effect of the two aperture sets on the dose distribution was compared. The proton beam at 70, 110, 160, 200, 230 and 250 MeV was tested respectively. We found that the scattering effect of the conventional aperture is most obvious at 70 MeV, and the flatness and hetergeneity of the lateral dose curve at the inlet of 0.5 cm of the tank reach 4.63%, 108.05%, respectively. The dose shift caused by the edge scattering effect decreases with increasing water depth and disappears at the Bragg peak. After using the divergent aperture, the flatness and uniformity at 70 MeV are reduced to 1.28% and 101.31%, respectively, and the 100, 160, and 200 MeV proton beams are improved in different extents. For a proton beam with an energy close to 250 MeV, there is no advantage in the lateral dose curve of the divergent aperture. For all energy protons, the secondary neutrons are reduced with divergent aperture. The results show that the divergent aperture is effective for PSPT and this study provides data support for further application in clinical practice.     

重离子束治癌中深度剂量分布优化

针对兰州重离子研究装置所加速的120MeV/u ¹²C离子束,利用模拟退火优化算法进行了Bragg峰展宽的剂量优化.取相同的展宽区域(30mm),4种不同的步长(2,1,0.5,0.25mm)进行Bragg峰展宽模拟.对所得到的剂量平均值,均方差,入射口剂量,峰坪比等优化结果的参数做了比较.讨论了重离子束治癌临床上最优的Bragg峰展宽模型的选取.